Самоорганизация в открытых системах

Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы (в физике и химии), имеет научное и философско-мировозренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого "здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, основой любой эволюции.

Как же объясняет современная наука, и в частности, синергетика процесс самоорганизации систем?

1. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние; характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придет в состояние полной дезорганизации.

3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового порядка.

Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер (с них начинается возникновение нового порядка и структуры), то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. В этом выводе находит свое подтверждение догадка античных философов Эпикура (341-270 до н. э.) и Лукреция Кара (99-45 до н. э.), требовавших допущения случайности для объяснения появления нового в развитии мира.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип − положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Вопросы для контроля и семинара 8.

1. Какие процессы называются обратимыми?

2. Когда вошло понятие времени в физику и как оно истолковывалось в классической термодинамике?

3. Что выражает первый закон термодинамики?

4. Дайте простую формулировку второго закона термодинамики.

5. Как можно сформулировать этот же закон с помощью понятия энтропии?

6. Что характеризует энтропия?

7. Какие системы называют закрытыми, или изолированными?

8. Насколько соответствует понятие закрытой системы действительности?

9. Как происходит эволюция в закрытых системах?

10. Что называют точкой термодинамического равновесия?

11. Может ли Вселенная придти в состояние "тепловой смерти"?

12. Кто впервые выдвинул идею "тепловой смерти" Вселенной и в чем ее несостоятельность по современным представлениям?

13. Какие системы называются открытыми?

14. Как происходит самоорганизация в открытых системах?

15. Какие условия необходимы для того, чтобы самоорганизация началась в простейших системах неорганической природы?

Литература

1. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 4. Кинетика. Теплота. Звук. − М.: Мир, 1967. − С.99-123.

2. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. − М.: Прогресс, 1986. − С. 153-200.

3. Фейнман Р. Характер физических законов. − М.: Мир, 1968.

4. Самоорганизация: кооперативные процессы в природе и обществе. 4.1. М., 1990.

Лекция 9.

«Концепция бесконечности и космологическая концепция»

Введение

Представление об открытых системах, введенное неклассической термодинамикой, явилось основой для утверждения в современном естествознании эволюционного взгляда на мир. Хотя отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в XIX веке (теория возникновения солнечной системы Канта-Лапласа и эволюционная теория Дарвина), тем не менее, глобальной эволюционной теории развития Вселенной не существовало. Это и неудивительно, т.к. классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем.

Такая тенденция наиболее была представлена атомистической концепцией классической физики как лидера тогдашнего естествознания. Атомистический взгляд, опирался на представление, что свойства и законы движения различных природных систем могут быть сведены к свойствам тех мельчайших частиц материи, из которых они состоят. Вначале такими частицами считались молекулы и атомы, затем элементарные частицы, а в настоящее время − кварки.

Атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, но он обращает главное внимание на строение и структуру систем, а не на их возникновение и развитие. Правда, получают распространение также системный и эволюционный взгляды, которые обращают внимание на характер взаимодействии элементов разных систем, чем на анализ свойств тех частиц, которые рассматривались в качестве последних кирпичиков мироздания.

Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной как едином целом. Мы коснемся здесь в основном принципов космологии с точки зрения концепции бесконечности и конечности ее моделей.